智能节水灌溉系统的设计【毕业论文+文献综述+开题报告】.doc
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1、(2011届)毕业设计题目智能节水灌溉系统的设计姓名专业电子信息工程班级学号指导教师导师职称年月日智能节水灌溉系统的设计摘要水是植物主要的组成成分,对于任何一种植物来说都必不可少。合理的灌溉不仅能提供植物生长必须,而且符合我国提倡节水灌溉的国情。作物的灌溉一方面要求保证供水的连续性和可靠性,另一方面要求供水质量的精确性、灌水均匀度要高。在实际生活中要实现这两点,单靠手工操作是不可能的,因此灌溉系统的智能控制应运而生。本文给出了实现智能节水灌溉的ZIGBEE无线传感网络设计方案,将ZIGBEE无线传感网络、现代移动通信、以太网三网相结合,利用ZIGBEE无线传感网络实现对农田土壤湿度进行实时监测
2、,利用移动通信网及光纤以太网来实现系统与远程监控人员的信息交互。主要讨论了ZIGBEE无线网络的拓补结构设计、定向扩散路由协议的改进以及底层数据融合算法的实现。并经实验验证了设计的可行性。关键词智能,节水灌溉,ZIGBEEIDESIGNOFINTELLIGENTWATERSAVINGIRRIGATIONSYSTEMABSTRACTASTHEMAINCOMPOSITIONOFPLANTSWATERIS,ITISESSENTIALFORANYKINDOFSOILPLANTINGCROPSREASONABLEIRRIGATIONNOTONLYPROVIDESPLANTGROWTHMUST,BUTAL
3、SOINLINEWITHTHEPROMOTIONOFWATERSAVINGIRRIGATIONINCHINASNATIONALCONDITIONCROPIRRIGATIONWATERQUALITYONTHEONEHANDFORGREATERACCURACY,HIGHERIRRIGATIONUNIFORMITYONTHEOTHERHANDREQUIREDTOENSUREWATERSUPPLYRELIABILITYANDCONTINUITYINPRACTICE,TWOREQUIREMENTSTOACHIEVETHISALONECANNOTMEETTHEMANUAL,SOTHEINTELLIGENT
4、CONTROLOFIRRIGATIONSYSTEMSCAMEINTOBEINGINTHISPAPER,THEINTELLIGENTWATERSAVINGIRRIGATIONOFTHEZIGBEEWIRELESSSENSORNETWORKISDESIGNEDTHEZIGBEEWIRELESSSENSORNETWORKS,MODERNMOBILECOMMUNICATIONS,ETHERNET,THREENETWORKSCOMBINEDBYTHEZIGBEEWIRELESSSENSORNETWORKSINREALTIMEONSOILMOISTUREMONITORING,THEUSEOFMOBILEC
5、OMMUNICATIONNETWORKSANDOPTICALETHERNETSYSTEMSANDREMOTEMONITORINGTOACHIEVETHEINFORMATIONOFTHESTAFFINTERACTIONTHEMAINFOCUSESOFTHEZIGBEEWIRELESSNETWORKTOPOLOGYDESIGN,DIRECTEDDIFFUSIONROUTINGPROTOCOLTOIMPROVEANDTHEUNDERLYINGDATAFUSIONALGORITHMKEYWORDSSMART,WATERSAVINGIRRIGATION,ZIGBEEII目录摘要IIIABSTRACTIV
6、1绪论111智能节水灌溉的来源112智能节水灌溉的意义113智能灌溉的国内外发展现状2131国外的发展现状2132国内的发展现状214课题研究的主要内容32设备方案设计与总体设计421设备的方案设计422设备的总体设计53硬件设计电路731设计电路图732控制芯片介绍833湿度检测电路9331湿度传感器HS1101简介9332HS1101优点10333HS1101与单片机接口设计1034温度检测电路11341温度传感器DS18B20简介11342DS18B20与单片机的典型接口设计12343DS18B20使用中应注意事项1335报警电路1436电源电路1537电平转换电路164软件设计电路17
7、41软件开发环境1742系统程序18421通信模块18422温度采集模块20423湿度计算模块22结论23参考文献24III致谢25附录系统电路图26附录系统源程序27毕业设计01绪论11智能节水灌溉的来源在人类文明日益发达的今天,人们逐渐的意识到,水资源是所有自然资源中最重要的,必须合理的开发和利用。联合国环境与发展大会通过的21世纪议程中强调“水是一种有限资源,它不仅是维持地球上一切生命所必需,而且对一切社会经济部门都有生死攸关的重要意义。”我国一方面水资源十分紧缺,虽然水资源总量居世界第六位,但人均占有量却是有世界人均量的1/4,约为2500M3。属于全球贫水国家之一。另一方面,农业用水
8、浪费极为严重,我国农业水资源的利用率仅为45,而水资源利用率高的国家已达到7080。由于农业灌溉用水的利用率低下,提高农业灌溉水资源的利用率,对于解决我国农业灌溉用水,缓解水资源紧缺非常重要23。信息化当今经济和社会发展的大趋势,广泛利用信息化,全面提升水资源利用效率具有重大意义4。本系统研究的就是应用基于ZIGBEE无线传感网络技术,实现了节水灌溉自动化控制管理的信息系统。12智能节水灌溉的意义节水农业的目标就是以最少的用水量,采取各种措施,实现最大灌溉面积,总体目的就是节约用水量。这一工程不仅能在计划用水、定额分配、“两水”并用、统一管理等方面提供方便,同时将会大大节约用水成本,为减轻农民
9、负担,提高农民收入等,产生良好的经济效益和社会效益。根据大农业的发展趋势,全面实施节水措施是我国农业发展的必由之路1。水是一切生命的基本要素,也是社会发展和维系国民经济的重要基础资源。节约用水,既是关系资源、人口、环境可持续发展的长远战略,也是当前社会和经济发展的一项紧迫任务。国家总书记江浙民同志曾明确指出“水是人类生存的生命线,也是农业和整个经济建设的生命线。我们必须高度重视水的问题。人无远虑,必有近忧”;要“坚持不懈地搞好节约用水和防治水资源污染的工作,努力开创我国治水事业新局面”;要“大力发展节水灌溉,提高水资源的利用率”。中央和国务院其他领导同志也都反复强调了节水灌溉的重要性。党的十五
10、届三中全会要求把推广节水灌溉和发展节水农业作为一项革命性的措施来抓,这是由我国农业严重干旱缺水和水资源短缺的基本国情所决定的。农业灌溉在用水方面是大户,其用水量约为全国总用水量的70,由于,输水渠道大部分是土渠,而且灌溉方式又落后,再加上配套不全和工程年久失修,农业灌溉水的利用率仅仅只有40,仅为发达国家的一半左右;单方水的智能节水灌溉系统的设计1粮食生产能力只有085KG左右,远低于世界发达国家水平2KG以上,浪费水资源十分严重。在全国范围内推广节水灌溉,发展节水农业是解决水资源短缺问题的出路。节水灌溉,就是要改变千百年来人们传统的浇地习惯,把浇地变为浇作物,按作物的最佳需水要求进行灌溉,用
11、最少的灌溉用水获得最高的产出。因此,我们要从实施可持续发展和科教兴农两大战略,实现经济体制和经济增长方式两个根本性转变,从人口、资源、环境可持续发展的战略高度来认识推广节水灌溉技术和发展节水农业的重要性、紧迫性和必要性,认真贯彻落实党中央、国务院指示精神,加大力度,开创节水灌溉工作的新局面。13智能灌溉的国内外发展现状131国外的发展现状世界上一些科技先进的国家,早在本世纪早期就已经开始研究并且使用喷灌这一先进技术。西方国家最早采用喷灌技术是来源庭园花卉和草坪灌溉的需要7。3040年代,随着冶炼、机械工业、轧制技术的迅速发展,一些欧洲发达国家用缝隙或折射喷头浇灌作物代替地埋固定管6。摇臂式喷头
12、和大型自走式喷灌技术在二战后得到快速发展,特别是大型自走式喷灌机,使喷灌技术大大前进,由于其灌溉水量均匀,而且还能节省大量劳动力,所以在美国西部的干旱区域得到广泛的使用。与此同时,在欧洲,薄壁金属移动管道喷灌系统和卷管式喷灌机因其简便耐用,投资少,效益高,也不断地发展。50年代后,塑料工业发展极为迅速,逐渐的取代了金属管业。为满足干旱灌溉的需要,以塑料为原材料的滴灌和微喷灌系统逐渐发展起来。到70年代中期,以色列、新西兰、澳大利亚、南非、墨西哥和美国等国家开始实施滴灌。滴灌面积迅速从当时的566万M2发展到1991年的160万M2。微喷灌和滴灌系统由于要克服灌水器经常堵塞的难题,故发展比较缓慢
13、,不比喷灌快。然而近一、二十年来,以色列在微喷灌和滴灌系统生产上取得了非凡的成绩。目前全世界大部分的灌溉面积仍是地面灌溉,为了提高地面灌溉用水效率,节约灌溉用水,国际上采用了“波涌”灌溉,有效的提高了灌溉效率8。132国内的发展现状随着我国城市化建设和经济发展的加快,节水灌溉技术在农业、林业、畜牧业、运动场地、园林绿化以及环境保护等行业和领域得到日益广泛的应用。并取得了显著的效果。目前,在我国灌区内,渠道防渗和低压管道灌溉是被应用最为广泛的灌溉技术。我国大中型灌区的骨干渠道一般采用混凝土衬砌和塑料防渗,田间渠道采用混凝土“U”型槽或低压管道防渗11。毕业设计2我国农业节水灌溉已有近千年的历史,
14、是古老的灌溉大国,早在周礼中记载有“潴”蓄水、“防”堵水、“沟”输水、“道”配水、“列”灌水“、泛”排水。西汉时代,新疆吐鲁番盆地开始修建“坎儿井”,通过地下渠道引天山融雪潜流灌溉,减少风沙淤塞和输水蒸发。唐代对郑国渠等大型灌区设闸分水轮灌。清光绪六年,石城子渠在新疆哈密县修建时,采用毛毡压石头的方法引水灌溉以较少水耗。从50年代新中国成立后,就开始研究节水灌溉技术。70年代,大力实施小畦短沟灌溉、推广渠道衬砌防渗等技术,同时开始了喷微灌设备研制和技术推广。80年代后,低压管道输水技术得到的广泛应用。90年代,主要对各种节水灌溉技术总结、归纳,形成了具有中国特色的综合节水农业体系。虽然我国在节
15、水灌溉方面有悠久的历史,但节水灌溉事业也是在新中国成立后才蓬勃发展起来的。由于我国技术相对西方发达国家较为落后,因此我国在节水灌溉发展过程中,一方面引进国外先进的科学技术设备,并加以渗透、学习;另一方面,针对农业生产中急需解决的问题进行重点研究和联合攻关,使我国在节水灌溉工程技术中取得累累硕果5。14课题研究的主要内容主要研究ZIGBEE技术,CC2430芯片的应用,农田温度,土壤湿度的数据采集,网状连接的无线网络的建立。采取的研究方法理论分析,计算分析,实验验证等方法。所采用的技术路线(1)线路板的设计,液晶显示控制,无线数据通信与控制,数据采集,网状连接的建立,五部分软、硬件的设计调试同时
16、进行,以缩短开发周期。(2)为保证高性能、低成本、低功耗设计芯片采用CC2430;带中文字库图形点阵液晶显示模块LCM128642ZK;用ZIGBEE协议组建无线网络;利用IAREMBEDDEDWORKBENCH编写控制软件。(3)为了使系统具有高维护性和信息传输的可靠性,系统兼进行模块化结构设计,并提供手提试通信检修设备。智能节水灌溉系统的设计32设备方案设计与总体设计21设备的方案设计图1无线智能灌溉网络示意图无线智能灌溉系统的网络结构,如图1所示。所有节点按照在网络中的功能不同分为控制器节点、传感器节和点协调器节点。单个网络中存放所有的控制策略协调器节点的只有一个,作为整个网络的中心,它
17、能接收传感器节点向其发送的数据,然后通过一系列智能判断后,再把灌溉命令发送给控制器节点;传感器节点分布于灌区的各个地方,配置有各种传感器,如空气湿度、测量温度等传感器,负责收集各个灌区的环境数据,并按一定的时间规律发送给协调器节点;每个控制器节点分别负责一个分灌区的灌溉,它直接与灌溉的执行器相连,当接收到协调器节点发送的灌溉命令后,则执行相应的操作。毕业设计422设备的总体设计温湿度传感器节点A灌溉设备控制阀门A温湿度传感器节点N灌溉设备控制阀门N无线路由节点A控制命令监测数据监测数据控制命令无线网关(基站)监控中心ZIGBEE无线通信GPRS网络监测数据控制命令图2系统组成框图该系统以单片机
18、作为控制核心,由监控中心、无线网关FFD、无线路由节点FFD、无线传感节点RFD四大部分组成,经过ZIGBEE自组网,监控中心和无线网关利用GPRS进行控制信息的传递。通过温湿度传感器,每个传感节点自动采集信息,并根据预设的温湿度上下限进行分析,来判断是否开启灌溉以及什么时候停止。各个节点都通过太阳能电池供电,电池电压被实时监控,一旦电压过低,节点就会发出低电压的警报,发送成功后,节点进入睡眠状态直到电量充足。其中无线网关将ZIGBEE无线网络与GPRS网络相连接,是智能节水灌溉系统的设计5基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统的核心部分,负责无线传感器节点的管理。路由节点与传感器节点自主形成一
19、个多跳网络。温湿度传感器分布于灌溉区域内,并向就近的路由节点发送收集到的数据,路由节点选择最佳路由,建立相对应的路由列表,其中列表中包括邻居网关和自身的信息的信息。通过网关传送数据给远程监控中心,便于用户远程监控和管理。毕业设计63硬件设计电路31设计电路图1234ABCD4321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEA4DATE30MAY2011SHEETOFFILECDOCUMENTSANDSETTINGSADMINISTRATOR件件件件件件件件件件DDBDRAWNBYC1HS1101R6576KR551KR41KR7909KVCCVCCK1K212Y1XTALC6104
20、C7104VCCVCC1234567891110DB9RXTXRXTXC3104C5104VCCC2104C8104VCCVCCR310K23456789COM1R110KVCCVINVOUTGNDVR1LM7805VCCC410UFBT19VD11N4007VCCR210KRSRWENRSRWENP101P112P123P134P145P156P167P178P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115X119X218RESET9P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122
21、P2223P2324P2425P2526P2627P2728RD/P3717WR/P3616ALE/PROG30PSEN29EA/VPP31AT89C51VCC16GND151COUT141CIN1315LOUT1215LIN1125LIN1025LOUT9C11V2C13C25C24V62COUT72CIN8MAX232R4TRIG2CVLOT5VCC8Q3DIS7THR6GND15554HEADERVDD3I/O2GND1JPDS18B20GND1VCC2V03RS4RW5E6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714BGVCC15BGGND16LCD160
22、5图3系统电路图智能节水灌溉系统的设计732控制芯片介绍本次设计采用AT89C51芯片作为主控制芯片,下面介绍一下该芯片。AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB/8KB/20KB闪烁可编程/擦除只读存储器(FLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY)的8位CMOS单片机,并且与MCS51引脚和指令系统完全兼容。AT89C51的主要性能指标包括(1)与MCS51微控系列产品兼容。(2)片内有可在线重复编程的4KB闪烁存储器(FLASHMEMORY)。(3)存储器可循环数据写入/擦除1万次。(4)存储器数据保存时间为10年。(5)工作电压范围宽
23、VCC可为276V。(6)全静态工作可从0HZ16HZ。(7)程序存储器具有3级加密保护。(8)空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储器内容。AT89C51芯片有40条引脚,采用双列直插式封装,下面说明各引脚功能图4AT89C51管脚(1)XTAL1接外部晶体的一个引脚。该引脚内部是一个反向放大器的输入端。这个反向放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时,此引脚接地。(2)XTAL2接外部晶体的另一端,在该引脚内部接至内部反相放大器的输毕业设计8出端。若采用外部时钟振荡器时,该引脚接收时钟振荡器的信号,即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。(3)RST复位输入。当单片机运行时,在此引
24、脚加上持续时间大于2个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时,就可以完成复位操作。在单片机正常工作时此引脚应为05V低电平。(4)ERROR/VPP外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000HFFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。需注意的是如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。(5)ALE/ERRORALE引脚输出为地址锁存允许信号,当单片机上电正常工作后,ALE引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时,ALE输出信号的负跳沿用于单片机单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存控制信号。即使不访问外部锁存器,ALE端仍有正脉冲信号输出,此频率为时钟振
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